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Donnerstag, 25.08.2016
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Quanten-Fluktuationen sind doch messbar

Erstmals direkte Beobachtung von Fluktuationen im absoluten Vakuum

Signale aus dem absoluten Nichts: Physiker haben erstmals die Fluktuationen elektromagnetischer Felder im absoluten Vakuum gemessen. Dieses energetische "Hintergrundrauschen" direkt zu beobachten, galt bislang als unmöglich. Die Vakuum-Fluktuationen sind jedoch von fundamentaler Bedeutung, von der Quantenphysik bis hin zur Verteilung der Materie im Weltall. Die Forscher erwarten daher große Fortschritte anhand ihrer Ergebnisse, wie sie im Magazin "Science" schreiben.
Messbare Fluktuationen im Vakuum: Mit ultrakurzen Laserpulsen tasten die Physiker das "Rauschen" des elektromagnetischen Feldes ab.

Messbare Fluktuationen im Vakuum: Mit ultrakurzen Laserpulsen tasten die Physiker das "Rauschen" des elektromagnetischen Feldes ab.

Ein absolut leerer Raum, ein völliges Vakuum also, ist für uns nur schwer vorstellbar. Selbst im Weltraum treibt noch extrem dünn verteilte Materie wie Gas und Staub. Doch welche Eigenschaften hat das absolute Nichts? Dies direkt zu messen galt bislang als unmöglich. Theorien zufolge ist jedoch auch diese völlige Leere nicht komplett leer: Es müssen sogenannte Quanten-Fluktuationen existieren, folgt aus der Heisenbergschen Unschärferelation.

Diese besagt, dass elektrische und magnetische Felder niemals gleichzeitig verschwinden können. Daher schwankt das elektromagnetische Feld selbst im absoluten Vakuum in völliger Dunkelheit noch minimal. Die Energie nimmt an einzelnen Punkten im Raum rasend schnell zu und wieder ab, so dass eine Art "weißes Rauschen" entsteht.

Fluktuationen bislang nur an ihren Folgen erkennbar


Diese Schwankungen lassen sich nur indirekt anhand ihrer Folgen beobachten: Sie gelten zum Beispiel als Auslöser, wenn angeregte Atome in einer Leuchtstoffröhre ihre Energie in Form von Licht abgeben. Während der kosmischen Inflation in der Anfangsphase des Universums sollen diese Schwankungen die Verteilung und Strukturbildung der Materie verursacht haben, wie wir sie heute in Galaxien und Galaxienhaufen beobachten.


Für die extreme Empfindlichkeit des Experiments waren hochpräzise optische und mechanische Bauteile nötig.

Für die extreme Empfindlichkeit des Experiments waren hochpräzise optische und mechanische Bauteile nötig.

Ein Team Physikern um Alfred Leitenstorfer von der Universität Konstanz hat diese Fluktuationen im Vakuum nun zum ersten Mal direkt gemessen. Dazu benötigten sie eine extrem empfindliche und schnelle Apparatur: Die zeitliche Auflösung des Experiments liegt im Bereich von Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel eines Milliardstels einer Sekunde. Die verwendeten Laser-Pulse waren mit einer Länge von nur wenigen Femtosekunden kürzer als eine halbe Lichtschwingung im beobachteten Spektralbereich.

Wir sind ständig von Fluktuationsfeldern umgeben


"Wir können durch diese extreme Präzision erstmalig direkt sehen, dass wir ständig von elektromagnetischen Vakuum-Fluktuationsfeldern umgeben sind", fasst Leitenstorfer zusammen. Überraschend für die Wissenschaftler war dabei, dass sie das untersuchte Quantensystem tatsächlich in seinem Grundzustand messen können, ohne diesen zu verändern. "Es hat uns ein paar Jahre lang schlaflose Nächte beschert – wir mussten alle Möglichkeiten eventueller Störsignale ausschließen", beschreibt der Physiker.

"Insgesamt stellt sich heraus, dass unser Zugang auf elementaren Zeitskalen, also kürzer als eine Schwingungsperiode der untersuchen Lichtwellen, den Schlüssel darstellt zum Verständnis der überraschenden Möglichkeiten, die unser Experiment erschließt." Die Forscher hoffen, in Zukunft auch die Quanten-Fluktuationen in angeregter Materie verfolgen zu können. (doi: 10.1126/science.aac9788)
(Universität Konstanz, 02.10.2015 - AKR)
 
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